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双脉冲MIG焊7075超硬铝合金焊接接头组织与性能的研究

刘长军  
【摘要】:Al-Zn-Mg-Cu(7XXX)系铝合金是20世纪40年代伴随着航空技术发展而产生的超硬铝合金材料,具有强重比高、机械性能优良、耐蚀性较好和环保可回收等诸多优势,广泛应用于航空航天、国防军事、轨道车辆及汽车工业等部门,成为以上领域最具竞争力的结构材料。目前超硬铝合金的应用主要以挤压和模锻工艺成形,很少采用焊接连接,即使采用焊接结构,绝大部分也是使用搅拌摩擦焊(FSW)工艺固相连接,其主要原因是超硬铝在传统熔焊工艺过程中极易出现热裂纹、气孔等缺陷和焊接接头软化,以上因素限制了超硬铝合金的进一步应用。双脉冲熔化极氩弧焊(DP-MIG)有其独特的高低频脉冲耦合搅拌作用,对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金实施熔化焊接成为可能。本课题以AA7075-T651超硬铝合金为研究对象,基于DP-MIG焊接方法,采用“低匹配”的ER5356及ER5556焊丝焊接6.35mm厚轧制板材,连接方式为开V型坡口对接平焊。实验方案:首先进行DP-MIG焊接参数优化,采用高速摄影分析双脉冲特性电弧形态、熔滴过渡行为,研究低频脉冲频率F对焊接接头组织及力学性能的影响;优化焊接参数基础上实施机械振动焊接试验,并确定恰当振动频率及振幅;最后将优化工艺的焊接接头施加焊后热处理(PWHT),研究不同焊丝填充焊缝的力学性能和疲劳性能,焊接接头不同区域的纳米级微观组织性能,诸如晶界、孪晶界及偏析等,并观察时效析出强化相的大小、形状及分布,进而分析焊后热处理T6制度对焊缝显微组织及力学性能的影响机理。通过DP-MIG焊接参数优化和“双脉冲MIG-机械振动”联合参数优化对AA7075-T651铝合金焊接,然后对不同试件进行焊后热处理,得出以下主要结论:(1)采用DP-MIG焊AA7075-T651超硬铝合金,分别以ER5356焊丝与ER5556焊丝为填充金属进行焊接参数优化,所得最佳焊接工艺参数如下:焊接平均电流I=190A、焊接速度V=0.78cm·s-1、低频脉冲频率F=3Hz、电弧挺度参数为-6,保护气体流量为18L/min、焊丝干伸长为12mm。试验结果为:ER5356焊丝焊接接头抗拉强度为292.5MPa,达母材抗拉强度的52.0%,接头最低硬度为80.8HV,伸长率为3.5%,而ER5556焊丝焊接接头的抗拉强度为342.5 MPa,为母材抗拉强度的60.9%,焊缝最低硬度为90.6HV,伸长率为8.5%;与ER5356焊丝相比,ER5556焊丝接头拉伸断口上有明显的撕裂棱,同时韧窝较深且大小匀称,韧窝中第二相颗粒很多,呈现为微孔聚集性断裂模式,而ER5356断口上撕裂棱较少,韧窝尺寸明显偏大且浅,韧窝中第二相颗粒较少,断口表现出混合断裂形貌,即穿晶断裂与沿晶断裂同时存在。(2)“双脉冲MIG-机械振动”组合工艺的最佳优化规范参数是:焊接电流I=190A、焊接速度V=0.78 cm·s-1、振动幅度A=0.02mm,振动频率F=40Hz,组合工艺规范体现焊接参数对振动参数的良好交互作用。施加振动后,以ER5356焊丝作为填充金属,接头的抗拉强度为352.6MPa,焊接接头强度系数为0.627;接头近焊缝侧熔合线区域柱状晶较细,其方向趋于晶粒长大方向,晶内密布细小析出相,焊缝中心组织为细小的等轴树枝晶和振动方向一致的胞状树枝晶组成;显微金相观察焊接接头各区域没有发现明显气孔和微裂纹,振动优化后焊缝组织比无振动焊缝组织细小,DP-MIG高低频耦合搅拌与机械振动综合作用,有效抑制热裂纹产生,并加速气孔的溢出。(3)采用焊后热处理(固溶处理(480℃×50 min)+室温水淬+人工时效(80℃×24h)+人工时效(120℃×24h))各工艺试验,对比两种无振动接头试验得知,ER5356焊丝填充接头的抗拉强度为445.7MPa,焊接接头强度系数从0.520提高至0.793,ER5556焊丝填充接头的抗拉强度为490.0MPa,焊接接头强度系数从0.609提高至0.872;在“双脉冲MIG-机械振动”组合工艺下,ER5356焊丝填充接头抗拉强度为490.2MPa,焊接接头强度系数从0.558提高至0.872。(4)PWHT对AA7075-T651超硬铝合金焊接接头性能恢复的本质原因是时效强化析出相的种类、数量、大小及分布状态决定的。TEM显示,焊接接头不同区域有数量较多深浅不同、体积大小不等的近球形或圆棒状时效析出相MgZn2弥散分布,促使其力学性能大幅度恢复和“软化”区得到显著改善;低周疲劳试验显示,ER5556焊丝比ER5356焊丝填充的焊接接头具有更长的疲劳寿命,ER5356焊丝填充的焊接接头在较低的0.3-0.5%外加总应变幅下呈现较高的循环变形抗力,而在较大的0.6%和0.7%外加总应变幅下,ER5556焊丝填充焊接接头呈现较高的循环变形抗力,形变硬化较强。基于DP-MIG焊AA7075-T651铝合金,采用机械振动工艺及焊后热处理(PWHT)是减少焊接缺陷、提高焊接质量的有效方式,为采用MIG熔焊工艺焊接超硬铝合金提供理论支撑和指导意义。


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